电路板抗振设计有限元研究*

舒 陶,张 堃,任宏光

(中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009)

0 引言

电子产品的振动可靠性问题是目前国内外航空航天界关心和研究的重点问题之一。据统计,在引起机载(弹载)电子设备失效的环境因素中,振动因素约占 27%,而印制电路板(printed circuit board,PCB)组件又是振动问题的核心[1]。在振动环境下,电路板对振动的敏感性已经影响到整板的性能和系统的稳定性,提高电路板组件的固有频率,降低元器件内部的动应力,是抗振设计的关键[2]。

文中利用有限元工具分析板厚、安装方式、元器件布局、板材特性四个因素对电路板系统固有频率的影响,给出了电路板组件抗振设计的建议。

1 有限元分析方法

利用ANSYS有限元[3]求解的主要步骤如图1。前处理包括实体模型的建立和划分网格。加载和求解主要完成实际载荷的添加、求解器的选择和求解控制。后处理是指检查分析结果,这里仅仅需要固有频率,所以后处理很简单。

图1 有限元求解阶段

文中采用一种简单的处理办法,该方法忽略电路板上大部分元器件对基板的刚度和质量的影响,电路板用基板处理。电路板的材料特性用基板的材料特性来代替,弹性模量、泊松比和密度可以通过相关的手册查到,参数如表1所示。

表1 基板材料参数

根据电路板的尺寸和其上元器件的相关尺寸就可以建立相应的几何模型。为了简化问题,进行一些特殊处理和适当简化:省略焊点;利用总质量等效法将小元器件的质量均布在电路板基板上,设置基板密度;大元器件利用直接有限元成型法依据其实际位置进行建模。值得一提的是将小元器件等效处理忽略了小元器件对整个电路板刚度的影响,会使得计算固有频率比实际值小,即结果偏于保守,这是可以接受的。

这里先分析电路板上无元器件或者无大元器件并且采用四角固定的情况。电路板长宽高分别为80mm 、50mm 、0.5mm,单元采用 solid 20node 186,采用Block Lanczos法提取模态。分析结果见表2。

图2 有限元网格

表2 有限元计算前5阶固有频率值

2 厚度分析

首先分析电路板厚度对固有频率的影响。常见的电路板厚度有0.5mm,1.0mm,1.5mm,2.0mm。进行厚度分析时,固化其它参数。弹性模量为1.1e10MPa,密度1413.5kg/m3,长宽分别为 80mm、50mm,安装方式为四角固定。按照电路板厚度系列利用有限元分析得到前5阶固有频率如表3。

表3 不同厚度电路板固有频率 Hz

对比分析四种厚度情况下固有频率的值,增加电路板的厚度能够显著提高其固有频率。采用四角固定方式,厚度从0.5mm提高到2.0mm时,频率提高了20Hz。因为电路板的密度不大,增加其厚度是可行的。比如厚度从0.5mm提高到2.0mm,电路板的质量只增加5.0886g。

3 安装方式分析

接着讨论电路板的安装方式对其固有频率的影响,分别对四角固定、两短边固定、两长边固定和三边固定以及在两短边固定时中间添加两个螺钉这五种安装方式进行模态分析,其它参数固化,弹性模量为1.1e10MPa,密度 1413.5kg/m3,长宽高分别为80mm、50mm、0.5mm。四种固定情况下得到的电路板固有频率如表4。

表4 不同安装方式电路板固有频率 Hz

从表4中可以看出,对应于不同的安装方式电路板的第一阶固有频率变化较大,特别是三边固定的方式,可以将该电路板的第一阶固有频率从四角固定时的137Hz提高到254Hz。另外增加螺钉的数量能够明显提高其固有频率,特别是电路板变形较大的位置,能够显著改善动态特性。因此,为了提高电路板的固有频率,可以选择较为合适的安装方式。当然在使用中采用何种安装方式,要根据实际情况来定。

4 元器件布局分析

这里讨论元器件布局对电路板固有频率的影响。情况一表示没有元器件,情况二将两个大元器件置于电路板中间,情况三两个大元器件靠近左右约束,情况四四个大元器件靠近四边约束。其它参数为弹性模量1.1e10MPa,密度1413.5kg/m3,长宽高分别为80mm、50mm、0.5mm,安装方式为四角固定。简化考虑将大元器件等效为铝块,弹性模量为73e9MPa,密度2700kg/m3,长宽高分别为15mm、10mm、3mm。参数为计算得到的固有频率值如表5。

表5 不同布局电路板固有频率 Hz

一般而言随着元器件的增加,电路板的第一阶固有频率会不断减小,特别是质量较重的元器件,对电路板的固有频率影响很大。在电路板设计时一般将较重的元器件布在靠近电路板约束的地方,这样可以提高系统的固有频率,降低元器件内部的动应力。从表5数据可以看出4个大器件靠近四边约束和两个大器件靠近两边约束时的频率基本一样。由于元器件很多,而且元器件布局要考虑很多问题,包括元器件分布的独立性和相关性、布线、元器件分布的美观性、散热和电磁兼容等问题,要详细的优化每一个元器件的位置比较困难。

5 材料特性分析

电路板固有频率也会随着基板的材料特性发生变化,这里将弹性模量加以改变,从1.1e10 MPa到4.4e10 MPa,其它参数固化,长宽高分别为60mm、40mm、0.5mm,安装方式为四角固定。

表6 不同弹性模量电路板固有频率 Hz

从表6中数据可以看出,提高弹性模量,固有频率有一定提高。在相同安装方式下,弹性模量从1.1e10 MPa提高到2.2e10 MPa时,一阶频率提高到了157Hz。

6 结束语

文中从抗振设计的关键点在于电路板的固有频率出发,利用有限元工具从板厚、安装方式、元器件布局、板材特性等方面对电路板进行了分析,指出提高电路板系统固有频率的方法。通过文中的分析可以得出结论:

1)厚度对电路板固有频率影响明显,允许情况下,尽可能增加电路板厚度。

2)尽量增加固定点,即尽量采用多边固定,必要时在电路板大变形处增加固定点。

3)重的元器件尽量靠近约束。当大而重的元器件向约束处靠近时,板的变形量将会变小,从而系统的固有频率也会相应增大。

4)提高基板材料的弹性模量对固有频率的提升也有贡献。

文中讨论的方法及结论对电路板的选材、设计有实际的指导意义,但具体每块电路板是否需要做有限元分析,则要视电路板使用的环境要求而定。

[1] 李朝旭.电子设备的抗振动设计[J].电子机械工程,2002,18(1):51-55.

[2] 丁文镜.减振理论[M].北京:清华大学出版社,1998.

[3] 李黎明.ANSYS有限元分析使用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.